Angew：柔性COF-5薄膜分子间重构与超高化学电阻湿敏性能研究
文章来源：高分子科学前沿 更新时间：2023-03-09 16:03:19
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为了实现非侵入式医疗检测和快速人机交互，可穿戴湿度传感器近年来被广泛应用于人体呼吸监测和非接触开关等领域。共价有机框架材料COF-5因其大比表面积和丰富的活性位点，被认为是湿度传感器中理想的敏感材料。
然而，大多共价有机框架材料为溶剂热法合成的不溶性粉末，材料内部缺陷和与电极的不良接触限制其在可穿戴传感器上的应用。同时，共价有机框架材料的化学电阻传感机理研究仍处在发展阶段，阻碍高反应活性的共价有机框架敏感材料的设计和开发。
针对以上问题，武汉理工大学的刘曰利研究员和中国地质大学（武汉）的陈克强教授合作，采用蒸汽辅助法制备具有强亲水性的柔性COF-5薄膜，并用于湿度传感器。组装的湿度传感器可以实现4个数量级的电阻变化，且在180°弯折条件下仍具有一致的湿度响应和线性关系，在呼吸监测和非接触开关等领域表现出巨大潜力。理论模拟计算进一步阐明COF-5薄膜在湿度条件下中间体的生成、堆叠构型变化及湿度传感机理。
COF-5薄膜湿度性能测试
蒸汽辅助法制备的COF-5薄膜具有均匀多孔的表明形貌，且在柔性基底上表现出优异的灵活性和亲水性。相比于溶剂热法制备的COF-5粉末，COF-5薄膜表现出优异的电荷传输能力和电极接触特性，在传感器中表现出更快的响应—恢复速度、更小的迟滞现象和突出的柔性弯折性能。
基于COF-5薄膜与粉末的传感器性能对比
基于DFT的理论模拟计算表明，水分子吸附后，COF-5薄膜由于分子间重构引起不同维度上的π-π堆叠，并与反应所形成的晶体结构和中间体等实验表征结果相吻合。
传感机理与呼吸检测及非接触开关应用
最终，COF-5薄膜组装的湿度传感器可实现指尖靠近以及贴附在医用口罩外侧5分钟内呼吸的湿度信号的准确监测。在大气环境中保持一周，湿敏性能没有发生明显衰减，表现出良好的长期工作稳定性。 |
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